热工测试技术-概述PPT幻灯片

1,MeasuringTechniqueForThermalandPowerEngineering,热能与动力工程测试技术,2,教材：严兆大主编，热能与动力工程测试技术（第2版），机械工业出版社,教材与参考书推荐,参考书目：严兆大主编，内燃机测试技术，浙江大学出版社；郑正泉等编，热能与动力工程测试技术，华中科技大学出版社；吴永生等编，热工测量及仪表(第2版)，中国电力出版社；吕崇德主编，热工参数测量与处理（第2版），清华大学出版社.,成绩,期末考试：70%平时成绩：20%实验成绩：10%,考试与考核：,3,课程简介,课程性质是热能与动力工程专业的技术基础课。是一门与动力机械工程、精密仪器、材料科学、微电子技术、信息技术密切相关的快速发展的学科。,课程目的培养学生解决实际工程测量问题的能力。只有通过足够的实验和仿真实验操作，才能得到应有的实际动手能力和更好的掌握书本知识。,4,课程简介,课程主要内容：,测量仪器的基础知识、误差分析理论和传感器原理等；热能与动力机械工程领域的各个主要参数的测量方法、测试系统、所用仪表原理及测试结果分析，包括温度、压力、转速和功率、流速、流量、液位、气体成分分析、振动、噪声等参数。,教学方式：理论教学：实践教学：热电偶校验实验、热电偶电焊实验等（时间老师会提前通知）,5,第一章概述,第一节热能与动力工程测试技术概述,第二节测量的基本概念,第三节测量仪器的组成与分类,第四节测量仪器的主要性能指标,第五节现代计算机测试技术与系统简述,6,测量的意义,测量过程是采集和表达被测物理量，同时与标准作比较。测量是人类对自然界的客观事物取得数量观念的一种认识过程（日常生活中的“三表”、天气预报、卫星导航定位、地质勘探、考古研究半衰期、空气质量指数、B超、CT、核磁共振）科学技术发展与测量技术的不断完善是紧密相关的（实验物理学家、实验科学、高能加速器、激光测速仪、运动会的电子显示计时仪以实验为依据和基础）,引论,7,秦始皇在统一六国后便立即建立了统一的度量衡制度，并对破坏这一制度的人科以严厉的惩罚。说明测量和标准对促进当时生产发展和社会进步的重要性。,测量技术的历史,8,曹冲称象,方法：比较法；,装置：船、石头、小秤；,检查、测量，从而得到定性、定量的结果。,9,国际单位制(SI)国际单位制由7个基本单位、两个辅助单位和19个具有专门名称的导出单位所组成。所有单位都各有一个主单位和十进倍数（十进分数）的词头组成。,7个基本单位定义如下：1.长度单位米(m)光在真空中于1299792458s时间所经过的距离(1983年第17届国际计量大会通过)。2.质量单位千克(kg)质量单位、等于国际千克原器的质量(1901年第3届国际计量大会规定)。国际单位制基本单位中唯一保留的实物基准。,10,3时间单位秒(s)铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间(1967年第13届国际计量大会决定)。4.电流强度单位安培(A)一恒定电流，若保持在处于真空中相距1m的两无限长而截面可以忽略的平行直导线内，则此两导线之间产生的力在每米长度上等于2l0-7N(1948年第9届国际计量大会确定)。5.热力学温度单位开尔文(K)水的三相点热力学温度的1273.16(1967年第13届国际计量大会通过)。,11,6物质的量的单位摩尔(mol一系统的物质的量，该系统中所包含的基本单元数与0.012kg碳-12的原子数目相等(1971年第14届国际计量大会决定增加的基本单位)。在使用摩时，应指明基本单元是原于、分子、离子、电子及其它粒子，或是这些粒子的特定组合。7发光强度单位坎德拉（cd）发出频率为540l012Hz单色辐射的光源在给定方向上的发光强度。而且在此方向上的幅射强度为(1683)wsr1979年第16届国际计量大会规定)。,12,测量技术的应用,测量的广博性如今测量已渗透到人类活动的每个领域；任何一门学科都可以在测量学中找到它的踪迹；测量技术反映了一个国家科技和经济发展的总体水平。（如各大学的检测设备FITR、XRD、EDAX、XRF、SEM、TGA和XPS等）。,13,要求检测仪器具有足够灵敏、准确，可靠。比赛场地的长度标准化、比赛器械的规格标准化、比赛成绩的精确计算（如时间的精确度可达到1/1000秒），以及比赛环境温度、湿度和风速等的计量。食品安全检测、兴奋剂检查。拳击、柔道、举重等比赛项目运动员称重。游泳池两池壁间的平行度、田径跑道的弯道坡度和起跑线的倾斜度。各场馆对光源和灯具的严格要求。提供电磁环境监测计量标准。,奥运计量工作,14,北京奥运会在100米蝶泳决赛中，菲尔普斯最后的成绩是50秒58，查维奇是50秒59。判断游泳比赛获得胜利的标准不是看谁先触壁，而是谁首先给安装在终点墙壁上的计时器以足够的压力。而水下摄像机所拍到的影像只是成为判断计时器成绩的辅助工具。,15,在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。,16,1、工业自动化中的应用,在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。,a)机械手、机器人中的传感器转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。,机械手装配模型,机器狗,17,切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。,数字化工厂,b)生产加工过程监测,18,2、流程工业设备运行状态监控,在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。,19,3、产品质量测量,在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。,汽车出厂检验：测量润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。,汽车扭距测量,机床加工精度测量,20,4、楼宇控制与安全防护,为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。,公司楼宇自动化系统：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、消防报警、水、废水管理和电梯监控。,21,5、家庭与办公自动化,在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。,全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度)液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。,指纹传感器,透光率传感器,22,鼠标:光电位移传感器,摄像头:CCD传感器,声位笔:超声波传感器,麦克风:电容传声器,声卡:A/D卡+D/A卡,软驱:速度,位置伺服,6、PC机中的测试技术应用,23,7、其他应用,航天,农业,交通,医学,24,人造卫星红外扫描检测,承受剧烈振动可靠性检测,月球车,25,火星车,“惠更斯”号登陆土卫六的效果图,土卫六表面,26,27,神州六号飞船的仪表板,28,2007年10月24日嫦娥一号探月卫星发射成功,29,2010年10月1日嫦娥二号探月卫星发射成功,30,安全检查,面部识别技术,可拍照的手机,31,发动机性能参数测量,内燃机学科是试验性的学科；测试对象、测试仪表种类繁多；$台架试验：转速、扭矩、功率、油耗、各种温度；$研究试验：排放、噪声、燃烧过程；$车辆指示：车速、里程。,第一节热能与动力工程中测试技术发展概况,发动机的进步离不开测试手段的进步(电喷机空燃比控制、点火控制等)。,32,测试发动机传感器和电子仪器的设备,用于发动机极端工作温度下的压力传感器,33,测试技术发展,20世纪50年代,机械式传感器,60年代,非电量电测技术的应用,80年代,动态参数的实时检测和处理,新型传感器的应用,34,非电量电测法系统,非电量电测法的测试系统框图,35,测试技术的发展趋势,1、传感器方面,a)利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器,光纤流速传感器,荧光材料制作的电子鼻传感器,生物酶血样分析传感器,36,b)传感器+嵌入式计算机智能传感器,振动网络传感器,嵌入式计算机,智能压力网络传感器,智能倾角RS232传感器,IC总线数字温度传感器,37,2、测量信号处理方面,计算机虚拟仪器技术,用PC机仪器板卡代替传统仪器用计算机软件代替硬件分析电路,我们的工作,38,高精度,数字电压、欧姆表,将量程切换到2V时，最小显示值为1V,39,高可靠性,40,网络化,41,主要传感器和测试仪器生产厂商,42,3、测量分析仪器,43,第二节测量的基本概念,1.测量的基本概念,通过试验手段将被测物理量与另一同名的作为单位的物理量比较，以确定两者之间的比值。确定一个数值未知的物理量的过程。,测量科学技术：是一门完整的、独立的学科。主要研究测量原理、测量方法、测量工具和测量数据处理等。,44,例：确定某人的身高,通常采用标准长度的米尺(一个预定标准)对其进行测量，通过被测量与预定标准之间的定量比较，从而得到此人实际的身高(被测对象的数值结果)。,45,力学测量位移、速度、加速度、尺寸、转矩、惯量、振动热工测量压力、温度、湿度、流量、浓度(ppm)、粒径(PM10)、功率电学测量电压、电流、电阻、磁场、电功率,2.测量对象,46,式中：被测量；标准量（即选用的测量单位）；被测量与标准量的数字比值。,3、测量的基本方程式,47,测量对象与被测量；测量环境；测量单位：测量过程中使用的标准量应该是国际或国内公认的性能稳定的量；测量方法；测量资源：包括测量仪器与辅助设施、测量人员等；数据处理和测量结果。,4、一个完整的测量包含六个要素：,48,5、测量方法,1直接测量凡被测量的数值可以直接从使用的测量仪器上读得的，称为直接测量，如用天平测物体质量、用米尺测量物体长度、测量导体的电阻、压力计测量压力、用温度计测量温度等。,按测量手段分为直接测量、间接测量和组合测量。,49,50,2间接测量被测量的不能直接从测量仪器上读得，需要直接测量得到与被测量有一定函数关系的量，然后经过运算得到被测量的数值。内燃机功率：,测运动物体的动能等,51,3组合测量各未知量以不同组合形式出现，根据直接测量或间接测量所得数据，通过求解联立方程组求得未知量的数值。例：标准电阻电阻值和温度之间的数值关系,52,5、测量方法,按获得测量值的方式分为偏差式、零差式和微差式。,a.偏差式测量：即利用仪表指针相对于刻度初始点的位移(偏差)来决定。利用被测量产生的力或力矩，使仪表的弹性元件变形，从而产生一个相反的作用，并一直增大到与被测量所产生的力或力矩相平衡时，此变形即可通过一定的机构转变成仪表指针的位移。如弹簧式压力表等。,特点：测量简单、迅速，但精度不高，广泛应用于工程测量。,53,b.零位式测量：用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用，并用指零式仪表指示差值，从而判定被测量值等于已知标准量。（天平）在零位式测量中，标准量具处于测量系统中，被测量能够直接与标准量相比较，测量误差主要取决于标准量具的误差。故可获得比较高的测量精度。测量过程较复杂，花费时间长，即使采用自动平衡操作，反应速度也受到限制，只能适用于变化缓慢的被测量。,54,c.微差测量法:将被测量x的大部分先与已知标准量N的作用相抵消，剩余部分即两者差值再用偏差法测量。测量中，总是设法使差值很小，故可选用高灵敏度的偏差式仪表测量。即使差值的测量精度不高，但最终结果仍可达到较高的精度。优点是反应速度快，测量精度高，适合于在线控制参数的测量。,例如：已知甲精确身高为170cm，若乙比甲高出5cm，于是可知乙的身高为175cm,55,5、测量方法,根据传感器是否与被测对象直接接触，分为接触式测量和非接触式测量。根据被测对象在测量过程中所处的状态，把测量分为静态测量和动态测量。根据测量条件是否发生变化，把对某测量对象进行的多次测量分为等精度测量与不等精度测量。根据被测量的属性，可以把测量分为电量测量和非电量测量。根据被测参数的不同，可分为热工测量(温度、压力、流量和物位等)、成分测量和机械量测量。,56,接触式测量：体温计测体温,非接触式测量：雷达测速(车载电子警察),57,离线测量：产品质量检验,在线测量：在流水线上，边加工，边检验，提高产品的一致性和加工精度。,58,6、非稳态和瞬变参数的测量,随时间不断改变数值的被测量，称为非稳态和瞬变参数(或称动态参数），如非稳定工况或过渡工况时内燃机的转速、功率；在制冷过程中冷库的温度等。这些参数随时间变化的函数可以是周期函数、随机函数等。,对快速瞬变参数，则需采用灵敏度更高的记录或显示仪器，如用电测、光测的方法记录和显示。,59,模拟测量：被测参数的量或它的变化，不表现为“可数”的形式。以仪表指针的位置或记录仪描绘的图形显示测量结果。优点：直观性强、灵活、简便、价格低；缺点：测量精度低。数字测量：可直接用数字形式表示。优点是能排除人为的读数误差，并可直接由数字记录或打印机记录数据，或与计算机相联实现数据自动处理。,7、模拟测量与数字测量系统,60,第三节测量仪器的组成和分类,一、测量仪器的组成,按工作原理，任何测量仪器都包括感受件、中间件和效用件三部分。,61,1感受件：直接与被测对象发生联系，感知被测参数的变化，同时对外界发出相应的信号。,2中间件：多为导线、导管、光导纤维、无线电通信等。且完成放大、变换和运算等任务。,3效用件：指示传感器输出信号的大小。如通过标尺和指针(或液面、光线等)反映。将变化历程记录下来的仪器称为记录式仪器（如笔式记录仪、磁带记录仪等）。,感受件,中间件,效用件,62,（信号检出部分）,（信号变换部分）,热工仪表的组成,63,二、测量仪器的分类,按其用途可分为范型仪器和实用仪器两类。,范型仪器,实用仪器,测量仪器,对其他测量仪器进行标定和刻度。准确度很高，对它的保存和使用有较高的要求。,试验室用仪器：必须要提供关于它们读数的标定曲线或数值表，使用时应考虑周围环境对示值的影响(如温度、压力、磁场、振动等)，其测量结果具有较高的准确度；,工程用仪器：不需要标定资料。其准确度是预先根据其结构、制造和运用条件定出的。对它的要求是动作迅速，使用简单、可靠，其测量结果应能满足工程测量误差所允许的范围。,范型仪器：精度0.2级以上（0.1、0.01、0.02、0.05）试验室用仪器：精度0.20.5级（0.2）工程用仪器：精度0.54级（0.5、1、1.5、2.5、4）,64,第四节测量仪器的主要性能指标,1.精确度,性能指标决定所得测量结果的可靠程度。主要有：精确度、恒定度、灵敏度、灵敏度阻滞、指示滞后时间等。,测量结果与真值一致的程度。它是系统误差和随机误差的综合反映。常用精度表示，为仪器满量程时所允许的最大相对误差的百分数，即,为仪器精度或允许误差；,范型仪器在0.2级以上；试验室用仪器为0.20.5级；工程用仪器为0.54级。,为允许的最大绝对误差；,、,分别为仪器刻度的上限和下限值；,65,例1：两个温度表，精度均为1.5%。一个量程050，另一个为0200，计算测量中可能产生的绝对误差。,例2：被测温度为40左右，绝对误差不超过0.5。050的1.0级仪表与0100的0.5级仪表是否均能满足要求。,同样精度仪表，量程不同，量程大的绝对误差大。,66,例：现有2.5级、2.0级、1.5级三块测温仪表，对应的测量范围分别为100+500、50550、01000。现要测量500的温度，其测量值的相对误差不超过2.5%，问选用哪块表最合适？解：(500+100)2.5%=15，15500100%=3%；(550+50)2.0%=12，12500100%=2.4%；(10000)1.5%=15，15500100%=3%；所以，准确度2.0级量程范围50550的测温仪表最合适。,67,仪表选择原则:1.只要能满足被测量的要求，尽可能选用小量程的仪表；如满足相同的误差要求，小量程仪表，可使精度等级降低。2.在选择仪表时，首先要对被测量有大致的估计，最好使最大测量值落在2/3量程附近（若一旦超载，会使仪表损坏）。,地磅测量棉花,68,（a）精密度高（b）正确度高（c）准确度高,（1）对同一被测量进行多次测量，测量的重复性程度称为精密度。（2）对同一被测量进行多次测量、测量值偏离被测量真值的程度称为正确度。（3）精密度与正确度的综合称准确度，它反映了测量结果中系统误差和随机误差的综合数值，即测量结果与真值的一致程度，准确度也称为精确度。,69,仪器多次重复测量时，其指示值的稳定程度。变差：当外部条件不变时，用同一仪器重复进行测量或是相隔一段时间再测量时，指示值之间的最大差数与仪器量程之比的百分数。变差稳定，仪器恒定度好。,2恒定度,变差特例：当仪器指针上升(正行程)与下降(反行程)时，由于仪器内部有阻尼、传动系统中有摩擦和间隙，对同一被测量所得读数之差，称之为迟滞误差。,70,它以仪器指针的线位移或角位移与引起这些位移的被测量的变化值之间的比例S来表示,3灵敏度,为指针的线位移或角位移；,为被测量的变化值；,a.线性检测系统：灵敏度为常数；,b.非线性检测系统：灵敏度为变数；,说明：,71,例：间隙式平板电容传感器，电容与极板间隙的关系,灵敏度,双曲线、非线性,72,足以引起仪器指针从静止到作极微小移动的被测量的变化值。对于用在零值法中的指零仪器有着重要的意义。灵敏度阻滞应不大于仪器允许误差的一半。,4灵敏度阻滞,从被测参数发生变化到仪器指示出该变化值所需的时间，又称时滞。时滞主要由仪器的惯性引起，如机械式仪器中运动件的质量、电测仪器中的电感或电容、传热式仪器中的热容量等。时滞无法避免。,5.指示滞后时间,73,零点漂移与灵敏度漂移,6零点和灵敏度漂移,传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。,74,7读数校正,仪器的上述指标在仪器的使用和保管过程中往往逐渐变坏，必须及时加以检验和校正。校正：将被校仪器与准确度更高的标准仪器比较其读数，将标尺上各点实际误差测出，作校正曲线或数值表。使用时对该仪器的读数引入一个校正数。校正数标准值读数,75,第五节现代计算机测试技术与系统,包括智能测试仪、总线仪器、PC仪器、虚拟仪器、网络化仪器等微机化仪器及自动化测试系统。,一.计算机测控系统的基本组成及功能,76,（1）信号调理器放大、整形、滤波等，保证传感器输出信号成为A/D转换器能接受的电信号。,（2）多路转换开关实现多路信号测量，并由它完成轮流切换被测量与模/数转换器的连接。,（3）采样保持器保证采样信号在A/D转换过程中不发生变化以提高测量精度。,（4）A/D转换器将输入的模拟信号换成计算机能接受的数字信号。,77,CAT组成:由微机加插卡式硬件和采集分析软件组成。计算机化测试系统的优点：能够对信号进行复杂的分析处理；高精度、高分辨率和高速实时分析处理；性能可靠、稳定、维修方便；能够以多种形式输出信息；多功能；自动测试和故障监控。,计算机辅助测试CAT-ComputerAssistedTesting,78,智能化仪器,以计算机为核心的电子仪器。能进行自动化操作，并能对测量数据分析、运算、逻辑判断以及更高层次的知识处理功能。一般都带有通用接口总线GPIB等标准仪器总线接口（GPIB：GeneralPurposeInterfaceBus)。,79,智能传感器,IntelligentSensor或SmartSensor。是“电五官”与“微电脑”的有机结合，对外界信息具有检测、逻辑判断、自行诊断、数据处理和自适应能力的集成一体化多功能传感器。还具有与主机互相对话的功能，自行选择最佳方案。还能将已取得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度的传输。,智能传感器的结构框图,80,平板式工作站（带触摸屏）,军用便携式工作站,一体化工作站,数据采集便携式工控整机,81,底板上的扩展槽用于插接各种数据采集卡,PCI扩展槽,ISA扩展槽,工业级底板,82,USB接口盒及接口线,利用USB扩展插头可配接多个接口盒,信号输入,笔记本电脑数据采集整机,83,传感器信号采集卡可多层叠合，插入到嵌入式计算机的总线接口中，就可以构成数据采集系统。,嵌入式计算机数据采集系统,84,二.总线技术的应用,连接功能部件或系统的一组公用信号线，它具有很强的兼容性和扩展能力，便于灵活组建测控系统。并行总线：SDT、ISA（IndustrialStandardArchitecture）、CompacPCI（PeripheralComponentInterconnect）、VXI（VmebusExtensionforInstrumentation）；串行总线（实现远距离通信与系统通信或网络通信）：RS-232C、RS422/485、GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）及现场通信等。,85,现场总线：是应用在生产现场，在微机化测量